Veel mensen zijn al vanaf de vroege kinderjaren op de hoogte van het bestaan van een dergelijk concept als de 'lichtsnelheid'. Maar niet iedereen kent het fenomeen in detail.
Velen vestigden de aandacht op het feit dat er tijdens een onweersbui een vertraging is tussen een bliksemflits en het geluid van onweer. De uitbraak bereikt ons in de regel sneller. Dit betekent dat het een hogere snelheid heeft dan geluid. Wat is hiervan de reden? Wat is de lichtsnelheid en hoe wordt deze gemeten?
Wat is de lichtsnelheid?
Laten we eerst begrijpen wat de lichtsnelheid is. Wetenschappelijk gezien is dit zo'n grootheid die laat zien hoe snel de stralen bewegen in een vacuüm of in de lucht. Je moet ook weten wat licht is. Dit is de straling die door het menselijk oog wordt waargenomen. Snelheid is afhankelijk van omgevingsfactoren en van andere eigenschappen, bijvoorbeeld refractie.
Interessant feit: Het duurt 1,25 seconden voordat licht van de aarde naar een satelliet, de maan, reist.
Wat is de lichtsnelheid in uw eigen woorden?
Simpel gezegd, de lichtsnelheid is de tijdspanne waarover een lichtstraal elke afstand aflegt. Tijd wordt meestal gemeten in seconden. Sommige wetenschappers gebruiken echter verschillende eenheden. Afstand wordt ook op verschillende manieren gemeten. Kortom, dit is een meter. Dat wil zeggen, deze waarde wordt beschouwd in m / s. De natuurkunde verklaart dit als volgt: een fenomeen dat beweegt met een bepaalde snelheid (constant).
Laten we het volgende voorbeeld bekijken om het gemakkelijker te begrijpen. De fietser rijdt met een snelheid van 20 km / u. Hij wil de chauffeur van de auto inhalen, met een snelheid van 25 km / u. Als je telt, gaat de auto 5 km / u sneller dan een fietser. Met lichtstralen zijn de dingen anders. Het maakt niet uit hoe snel de eerste en tweede mensen bewegen, het licht beweegt ten opzichte van hen met constante snelheid.
Wat is de lichtsnelheid?
Als er geen vacuüm is, beïnvloeden verschillende omstandigheden het licht. De stof waar de stralen doorheen gaan, inclusief. Als het aantal meters per seconde niet verandert zonder zuurstoftoegang, dan verandert in een omgeving met luchttoegang de waarde.
Licht reist langzamer door verschillende materialen zoals glas, water en lucht. Dit fenomeen krijgt een brekingsindex om te beschrijven in hoeverre ze de beweging van licht vertragen. Glas heeft een brekingsindex van 1,5, wat betekent dat er licht doorheen gaat met een snelheid van ongeveer 200 duizend kilometer per seconde. De brekingsindex van water is 1,3 en de brekingsindex van lucht is iets meer dan 1, wat betekent dat lucht het licht slechts licht vertraagt.
Daarom vertraagt de snelheid na het passeren door lucht of vloeistof en wordt deze lager dan in vacuüm. In verschillende reservoirs is de bewegingssnelheid van de stralen bijvoorbeeld 0,75 van de snelheid in de ruimte. Ook, met een standaarddruk van 1,01 bar, vertraagt de snelheid met 1,5-2%. Dat wil zeggen dat onder lichtomstandigheden de lichtsnelheid varieert afhankelijk van de omgevingsomstandigheden.
Voor zo'n fenomeen bedachten ze een speciaal concept - refractie. Dat wil zeggen, de breking van licht. Het wordt veel gebruikt bij verschillende uitvindingen. Een refractor is bijvoorbeeld een telescoop met een optisch systeem. Met behulp hiervan worden ook verrekijkers en andere apparatuur gemaakt, waarvan de essentie het gebruik van optica is.
Over het algemeen kan de kleinste straal worden gebroken door door gewone lucht te gaan. Bij het passeren van een speciaal gemaakt optisch glas is de snelheid ongeveer 195 duizend kilometer per seconde. Dit is bijna 105 duizend km / s minder dan de constante.
De meest nauwkeurige waarde van de lichtsnelheid
Natuurkundigen hebben door de jaren heen ervaring opgedaan in het onderzoeken van de snelheid van lichtstralen. Op dit moment is de meest nauwkeurige waarde van de lichtsnelheid 299.792 kilometer per seconde. De constante werd opgericht in 1933. Het nummer is nog steeds relevant.
Bij het bepalen van de indicator deden zich echter nog meer problemen voor.Dit kwam door een meterfout. Nu hangt de meter zelf direct af van de lichtsnelheid. Het is gelijk aan de afstand die de stralen in een bepaald aantal seconden afleggen - 1 / lichtsnelheid.
Wat is de lichtsnelheid in vacuüm?
Omdat licht niet wordt beïnvloed door verschillende omstandigheden in een vacuüm, verandert de snelheid niet zoals op aarde. De lichtsnelheid in een vacuüm is 299.792 kilometer per seconde. Deze indicator is de limiet. Er wordt aangenomen dat niets in de wereld sneller kan bewegen, zelfs kosmische lichamen die vrij snel bewegen.
Zo vliegt een jager, een Boeing X-43, die de geluidssnelheid bijna 10 keer (meer dan 11 duizend km / u) overschrijdt, langzamer dan een straal. Deze laatste rijdt meer dan 96 duizend kilometer per uur sneller.
Hoe werd de lichtsnelheid gemeten?
De allereerste wetenschappers probeerden deze waarde te meten. Er zijn verschillende methoden gebruikt. In de oudheid geloofden mensen van de wetenschap dat het oneindig is, daarom is het onmogelijk om het te meten. Deze mening bleef lang bestaan, tot aan de 16-17e eeuw. In die tijd verschenen er andere wetenschappers die suggereerden dat de straal een einde heeft en dat snelheid gemeten kan worden.
De beroemde astronoom uit Denemarken, Olaf Roemer, bracht kennis van de lichtsnelheid naar een nieuw niveau. Hij merkte op dat de zonsverduistering van Jupiter's maan laat is. Voorheen besteedde niemand hier aandacht aan. Daarom besloot hij de snelheid te berekenen.
Hij bracht een geschatte snelheid naar voren, die gelijk was aan ongeveer 220 duizend kilometer per seconde. Later nam een wetenschapper uit Engeland, James Bradley, de studie op zich. Hoewel hij niet helemaal gelijk had, benaderde hij de huidige onderzoeksresultaten enigszins.
Na enige tijd raakten de meeste wetenschappers geïnteresseerd in deze hoeveelheid. Bij het onderzoek waren mensen uit verschillende landen betrokken. Tot de jaren 70 van de 20e eeuw waren er echter geen grandioze ontdekkingen. Sinds de jaren zeventig, toen ze lasers en masers (kwantumgeneratoren) bedachten, hebben wetenschappers onderzoek gedaan en de exacte snelheid verkregen. De huidige waarde is sinds 1983 relevant. Slechts kleine fouten gecorrigeerd.
Galileo's ervaring
Een wetenschapper uit Italië verraste alle onderzoekers van die jaren met de eenvoud en het genie van zijn ervaring. Hij slaagde erin de lichtsnelheid te meten met behulp van conventionele gereedschappen die binnen handbereik waren.
Hij en zijn assistent beklommen de aangrenzende heuvels, nadat ze eerder de afstand tussen hen hadden berekend. Ze namen de verlichte lantaarns en voorzagen ze van dempers die de lichten openen en sluiten. Op hun beurt, door het licht te openen en te sluiten, probeerden ze de lichtsnelheid te berekenen. Galileo en de assistent wisten van tevoren met welke vertraging ze het licht zouden openen en sluiten. Als de ene is geopend, doet de andere hetzelfde.
Het experiment is echter mislukt. Om het te laten werken, zouden wetenschappers op een afstand van miljoenen kilometers van elkaar moeten staan.
De ervaring van Römer en Bradley
Deze studie is hierboven al kort beschreven. Dit is een van de meest vooruitstrevende ervaringen van die tijd. Römer gebruikte kennis in de astronomie om de snelheid van de stralen te meten. Het gebeurde in het jaar 76 van de 17e eeuw.
De onderzoeker observeerde Io (de satelliet van Jupiter) door een telescoop. Hij ontdekte het volgende patroon: hoe meer onze planeet zich van Jupiter verwijdert, hoe groter de vertraging in de verduistering van Io. De grootste vertraging was 21-22 minuten.
Ervan uitgaande dat de satelliet weg beweegt op een afstand die gelijk is aan de lengte van de diameter van de baan, verdeelde de wetenschapper de afstand in tijd. Hierdoor kreeg hij 214 duizend kilometer per seconde. Hoewel deze studie als zeer benaderend wordt beschouwd, omdat de afstand bij benadering was, benaderde deze de huidige indicator.
In de 18e eeuw vulde James Bradley de studie aan. Om dit te doen, gebruikte hij aberratie - een verandering in de positie van het kosmische lichaam als gevolg van de beweging van de aarde rond de zon. James mat de aberratiehoek en, wetende de snelheid van onze planeet, kreeg hij een waarde van 301 duizend kilometer per seconde.
Fizeau-ervaring
Onderzoekers en gewone mensen stonden sceptisch tegenover de ervaringen van Römer en James Bradley. Desondanks waren de resultaten het dichtst bij de waarheid en relevant voor meer dan een eeuw. In de 19e eeuw heeft Arman Fizeau, een wetenschapper uit de Franse hoofdstad Parijs, bijgedragen aan het meten van deze grootheid. Hij gebruikte de roterende sluitermethode. Evenals Galileo Galilei met zijn assistent observeerde Fizeau ook geen hemellichamen, maar onderzocht hij in laboratoriumomstandigheden.
Het principe van ervaring is simpel. Een lichtstraal was op de spiegel gericht. Door het weerkaatste het licht door de tanden van het wiel. Vervolgens raakte het een ander reflecterend oppervlak, dat zich op een afstand van 8,6 km bevond. Het wiel werd gedraaid, waardoor de snelheid toenam, totdat de straal zichtbaar was in de volgende opening. Na berekeningen ontving de wetenschapper een resultaat van 313 duizend km / s.
Later werd de studie herhaald door de Franse natuurkundige en astronoom Leon Foucault, met een resultaat van 298 duizend km / s. Het meest nauwkeurige resultaat van dat moment. Latere metingen zijn uitgevoerd met lasers en masers.
Is superluminale snelheid mogelijk?
Er zijn objecten sneller dan de lichtsnelheid. Bijvoorbeeld zonnestralen, schaduw, golftrillingen. Hoewel ze theoretisch superluminale snelheid kunnen ontwikkelen, zal de energie die ze uitstoten niet samenvallen met hun bewegingsvector.
Als een lichtbundel bijvoorbeeld door glas of water gaat, kunnen elektronen deze inhalen. Ze zijn niet beperkt in bewegingssnelheid. Daarom beweegt licht onder dergelijke omstandigheden niet sneller dan wie dan ook.
Dit fenomeen wordt genoemd Vavilov-Cherenkov-effect. Meestal gevonden in diepe reservoirs en reactoren.